國內(nèi)國際磨粒技術發(fā)展趨勢
——CCAT & ISAAT2019 會議總結

第二十屆中國磨粒技術學術會議(CCAT2019)與第二十二屆先進磨粒技術國際會議(ISAAT2019)于2019年12月5—9日在南方科技大學舉行。

1 CCAT會議總結

12月5—6日，CCAT2019在南方科技大學舉行。會議由中國機械工程學會生產(chǎn)工程分會(磨粒技術領域)主辦，南方科技大學機械與能源工程系與華僑大學脆性材料產(chǎn)品智能制造技術國家地方聯(lián)合工程研究中心共同承辦。大會共有來自全國各地的二百六十余位相關領域?qū)I(yè)人員參加。內(nèi)地、香港、澳門三地專家學者與企業(yè)家在大會上分享了12個邀請報告。

香港理工大學杜雪教授、澳門科技大學伍乃琪教授、廣東工業(yè)大學王成勇教授分別代表港、澳、粵作了大會主題報告。他們的報告主題分別是“硬脆材料的超精加工”、“嚴格工藝約束下晶圓制造組合設備最優(yōu)調(diào)度和控制”以及“骨折治療中的骨螺釘鉆攻與鋼板緊固系統(tǒng)研究”。杜教授在報告中介紹了超精加工的基本概念、應用領域以及發(fā)展趨勢，以及通過分子動力學模型模擬從硬脆材料到柔性材料的轉(zhuǎn)化過程和轉(zhuǎn)化機理，并在SiC材料上進行試驗驗證。伍教授的報告更多的是側(cè)重晶圓制造組合設備的選擇與控制。他的報告以計算模擬和函數(shù)為主，從整體對設備工藝和參數(shù)進行分析和研究。王教授的報告主要內(nèi)容包括骨螺釘系統(tǒng)研究以及3D打印零件設計。其側(cè)重點在于解決骨折治療中內(nèi)固定術常見問題，研究了骨螺釘在手術時的鉆削機理以及工作過程；分析不同種類的骨螺釘在針對不同種類的骨加工時所起到的作用以及最終的結果。

來自哈工大的李琛老師介紹了稀土氧化物激光晶體(ROLC)超精密磨削機理及工藝。在ROLC表面進行壓痕/劃痕實驗，從理論和試驗的角度分析了材料的表面形貌和力學性能的變化，研究其內(nèi)部機理并建立相關的模型來進行深度分析，探究了不同材料在不同磨削加工條件下的加工效果。

來自天津大學的任成祖教授介紹了軸承滾子精度進化式研磨技術。在報告中，任教授分析了滾子加工的難點，并提出了解決辦法，變精度退化為精度進化；提出了滾子高形位精度創(chuàng)成理論與技術以及滾子高尺寸一致性創(chuàng)成理論與技術。

來自湖南大學的尹韶輝教授介紹了大拋光模磁流變拋光工藝損傷研究。報告介紹了模磁拋光技術，闡述其在磨削加工中所起到的作用。通過TEM,SEM等表征手段證明了該技術在測量以及減少表面損傷等方面的效果；還提出理論模型來分析模磁拋光技術在減少表面損傷時的內(nèi)在機理。

來自廈門大學的彭云峰教授介紹了大口徑光學非球面超精密磨削技術與裝備。彭教授在報告中介紹了光學超精密磨削機床的設計以及光學磨削加工工藝與控制；分析了光學磨削加工工具與修整機理以及效果；利用智能臨控系統(tǒng)對光學加工進行測量與監(jiān)控。報告中特別介紹了UPG80光學超精密磨床，在多次光學非球元件圓弧金剛石砂輪加工試驗中得到的PV值穩(wěn)定在3.1401 μm/530 mm×530 mm水平。

來自中北大學的祝錫晶教授介紹了高性能表面超聲復合磨削加工的研究。報告介紹了超聲復合磨削加工的基本原理、自身優(yōu)勢以及未來發(fā)展趨勢。利用在SiCp/Al材料的磨削試驗，證明了二維超聲振動磨削加工對磨削力和表面質(zhì)量都有明顯的改善。

來自華僑大學的黃輝教授介紹了金屬結合劑金剛石砂輪的生物在線修整技術研究。報告介紹了生物去除加工的機理與方法。在銅鈷燒結劑上面進行試驗并提出一種新的金屬結合劑的精密可控修整方法——生物在線修整法。

來自湖南大學的陳根余教授介紹了超硬磨料砂輪激光復合自動修整技術與裝備。在報告中介紹了超硬磨料對激光吸收系數(shù)的測定，分析了脈沖激光燒蝕超硬磨料砂輪機理，利用短脈沖激光修整成形砂輪；利用超短脈沖激光修銳超硬磨料砂輪，測試了激光修整砂輪磨削性能，并闡述了激光復合自動修整技術與裝備。最終，激光脈沖復合砂輪修整機可達到定位精度和重復定位精度不高于4 μm，可適應直徑90～250 mm, 厚度不高于90 mm范圍內(nèi)的砂輪高效修整，且已走向產(chǎn)業(yè)的應用。

來自超硬材料磨具國家重點實驗室的黎克楠高工介紹了超薄砂輪高速動態(tài)行為與新型結合劑設計研究。在高速磨削中提出了動態(tài)硬度及動態(tài)硬度差的概念，通過建立相關模型描述了超薄砂輪動態(tài)直徑、應變速率和結合劑彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)之間的函數(shù)關系，為新型結合劑的開發(fā)提供理論指導。

來自東莞金研精密研磨機械制造有限公司的洪志清總經(jīng)理介紹了先進磨粒在精密研磨拋光加工中的應用。報告介紹了超精密加工需求趨勢，分析了研磨拋光工藝方式及原理。并具體分享了金研kizi精密研磨拋光解決方案及應用案例，對超精密研磨拋光中的先進磨料進行了展望。

2 ISAAT2019會議總結

12月7日，ISAAT2019在南方科技大學拉開帷幕。大會由國際磨粒技術委員會(International Committee for Abrasive Technology，ICAT)，中國磨粒技術委員會(Chinese Committee of Abrasive Technology，CCAT)及南方科技大學機械與能源工程系共同主辦，日本磨粒技術學會(Japan Society of Abrasive Technology, JSAT)與華僑大學脆性材料產(chǎn)品智能制造技術國家地方聯(lián)合工程研究中心共同協(xié)辦。來自中國、日本、德國、澳大利亞等國家的專家學者，以及國際磨料技術知名企業(yè)界專家三百多人參加了本次研討會，其中中國代表超過200人。本次會議共組織大會報告4個，邀請報告24個，分會場報告120個。

ISAAT2019會議邀請了4位專家學者作了大會主題報告。主要介紹了光學元器件的自動化生產(chǎn)，磨粒加工技術的發(fā)展，無黏結劑的納米多晶金剛石與立方氮化硼等創(chuàng)新性超硬工具材料，振動輔助加工及其應用等領域最新的研究進展。

來自University of Huddersfield的Prof. David Walker帶來了題為《The bumpy road toward autonomous manufacture of optics》的報告，介紹了目前精密光學元件制造遇到的挑戰(zhàn)，闡述了自動化生產(chǎn)面臨的困難和原因。在他的報告中，重點介紹了如何在實際生產(chǎn)中去解決光學元器件自動化生產(chǎn)的困難。

來自Okayama University的Prof. Kazuhito Ohashi帶來了題為《Change in thinking about abrasive machining technology》的報告，介紹了磨削加工技術在磨料、磨具以及加工工具等領域的進展，并預測了未來的發(fā)展方向。

來自日本住友電氣工業(yè)株式會社總工Hitoshi Sumiya博士帶來了題為《Innovative ultra-hard tool materials: binderless nano-polycrystalline diamond and cBN》的報告，重點介紹了該公司推出的無黏結劑的納米多晶金剛石與立方氮化硼等材料的優(yōu)良性能。與傳統(tǒng)的PCD和PCBN相比，無黏結劑的納米多晶金剛石與立方氮化硼具有更高的硬度和強度。此外，由于沒有加入黏結劑，這些創(chuàng)新性超硬材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和可加工性，可用于新一代高精度高效率的切削工具和磨削工具。從成本的角度考慮，無黏結劑納米多晶超硬材料的成本低于單晶金剛石和氮化硼，高于傳統(tǒng)PCD和PCBN。

來自Taiwan University的Prof. Yunn-Shiuan Liao帶來了題為《Vibration assisted machining and its application》的報告，介紹了一種將在傳統(tǒng)工藝中有害的振動應用于藍寶石的拋光，表面磨削以及牙齒的加工的新方法，并證明了這種超聲振動的加工方式對于最終的結果有正向促進的作用。

除了主題報告，ISAAT會議還設置了4個分會場進行學術交流。4個分會場的報告主題包括：(1)磨粒加工技術與磨粒射流加工(34個報告)；(2)切削技術(35個報告)；(3)機床與系統(tǒng)以及刀具加工(34個報告)；(4)表面完整性與表面技術(34個報告)。其部分論文的具體內(nèi)容如下：

2.1 磨粒加工技術與磨粒射流加工

磁性混合流體(MCF)拋光作為一種精準加工手段可應用于多種材料，包括光學高分子材料和硬質(zhì)陶瓷。科研人員研究了超聲霧化水對MCF使用壽命的影響。在研究過程中，科研人員通過觀察MCF在拋光過程中的干燥現(xiàn)象，依據(jù)超聲霧化機理，設計出全新的供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)拋光區(qū)域的局部潤濕。經(jīng)過實驗證明，新的供水系統(tǒng)可以大幅度提高MCF的使用壽命。

為應對日趨老齡化的社會發(fā)展，研究人員研發(fā)了一種動力射流沉積技術。利用該技術，可以在沉積區(qū)形成具有一定厚度的薄膜。該技術可應用于牙齒修復領域。經(jīng)過試驗證明，該技術可以在人類牙齒上形成完整的羥基磷灰石薄膜。

超聲輔助加工作為一種新型的加工方法，將傳統(tǒng)加工與超聲加工結合在一起，已經(jīng)被應用于高效率高精度的加工環(huán)境中。超聲加工具有降低磨削應力，提高表面質(zhì)量以及減少工具磨損等優(yōu)點。該方法具體可應用于精細陶瓷、光學玻璃、人造晶體以及各種復合材料等材料的加工領域。作為一種高效加工方法，高速超聲振動切削可用來加工難以切削的金屬。一方面，這種方法突破了傳統(tǒng)切削過程中切削速度的限制。另一方面，這種高效加工方法突破了傳統(tǒng)切削中難以切削的金屬范圍限制，可用來加工更多的金屬類型。在加工過程中，超聲振動會產(chǎn)生周期性分離現(xiàn)象，起到冷卻刀具與工件接觸面的作用。這種分離規(guī)律可以應用于車削、磨削、切削以及擠出加工等領域。

有報道研究了金屬結合劑金剛石砂輪加工單晶藍寶石的磨損機理。具體包括加工量、砂輪損耗、表面粗糙度以及砂輪和金剛石磨粒表面形貌變化。此外，研究人員還建立模型來模擬砂輪磨損對塑料或者脆性材料表面粗糙度的影響。 實驗結果證明：(1)砂輪磨損由4個步驟組成，包括慢速磨損、快速磨損、慢速穩(wěn)定磨損和快速穩(wěn)定磨損；(2)隨著加工量的增加，塑性材料的去除量會增加，表面粗糙度先減小后增大；(3)金剛石磨粒的磨損形式包括探頭損耗以及磨粒損耗。

有科研人員采用化學增強的切向增厚拋光(C-STP)技術來提高拋光效率并得到高表面質(zhì)量的鋁合金錐形反射鏡。研究分析了CeO2磨粒含量以及切向增厚拋光漿(STPS) pH值對C-STP效果的影響。工件的表面質(zhì)量以及表面粗糙度作為評價指標。實驗研究了最佳的拋光條件。基于3D模擬實驗的結果，表面質(zhì)量最佳時，CeO2磨粒質(zhì)量分數(shù)達到4.4% (8000#CeO270%, 200nm CeO230%)，拋光速度66 r/min，STPS的pH值為5.0。經(jīng)過20 min的拋光，表面粗糙度從15 nm降至8 nm。試驗結果證明了機械作用和化學作用之間的平衡在材料去除的過程起到了主要作用。

2.2 切削技術

鈦合金難以被鉆孔。另外，由于鉆孔中可使用的潤滑油有限，鉆頭在使用過程中必須經(jīng)常更換，增加了使用成本。科研人員研究了Ti-6Al-4V的鉆孔過程，發(fā)現(xiàn)在350～400 ℃范圍內(nèi)，產(chǎn)生的毛刺高度迅速增加。

科研人員將氮摻雜金剛石涂于硬質(zhì)合金表面，經(jīng)過一系列的表征后發(fā)現(xiàn)，當?shù)窟_到質(zhì)量分數(shù)0.9%時，金剛石涂層與合金之間的黏結力最強。與其他金剛石涂層相比，低氮含量的金剛石涂層的切削性能更強，使用壽命更長，側(cè)面磨損更少。因此，低氮摻雜是一種提高金剛石涂層性能的有效手段。

科研人員采用納秒脈沖激光技術對焊接金剛石砂輪進行精準修整。通過對激光參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，得到的磨粒具有正常的表面形態(tài)(顆粒尺寸在415 μm)。實驗證明，當能量密度達到11.9 J/cm2，掃描間距為0.001 mm時，激光對金剛石表面的黏結材料起到的清潔效果更好，但在凹槽處也會出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象并產(chǎn)生少量的破裂。隨著加工參數(shù)的優(yōu)化，可以得到凹槽深度約為50 μm的金剛石粗磨粉。當金剛石砂輪的直徑為4 mm時，粗磨粉之間的高度差大約為5 μm。

45CrNiMoVA是一種常見的扭力桿材料。有報道研究了不同的切削參數(shù)對工具壽命、工具磨損、探針形態(tài)以及切削力的影響并建立了切削力預估經(jīng)驗方程。結果證明碳化物涂覆工具的使用壽命較長并且磨損率較低。其磨損機理包括磨料磨損以及化學磨損。當切削參數(shù)較低時，隨著數(shù)值的增加，會形成連續(xù)的探頭；當切削速度超過一定值時，會出現(xiàn)鋸齒狀探頭。此外，報道還介紹了切削力與切削參數(shù)之間的關系。

工具的表面粗糙度對于金屬材料的剪切界面的狀態(tài)有很大的影響。有限元不僅可以用來研究不用表面粗糙度工具和材料表面的接觸面積和摩擦力，還可以用來分析工具表面粗糙度對于剪切界面狀態(tài)的影響機理。通過對模擬結果的分析可以得出以下結論：在潤滑條件下，工具的表面粗糙度數(shù)值合適時，對剪切界面的摩擦行為起到優(yōu)化作用。然而，表面粗糙度太高或者太低，剪切界面的狀態(tài)均得不到改善。

有報道介紹了清洗負載砂輪的方法。研究人員分析了這種方法用于加工高塑性成分金屬合金的可能性，利用6061鋁合金進行磨削測試。結果證明選擇合適的壓力負載對提高砂輪的磨削效果有明顯的作用。選擇0.5 V的電壓，當切削深度達到50 μm時，表面粗糙度為0.83 μm。加工100次以后，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的砂輪堵塞現(xiàn)象。

2.3 機床與系統(tǒng)以及刀具加工

科研人員研究了利用過濾式電弧沉積法制得的氮化釩(VN)涂層薄膜和利用電弧離子電鍍法制得的VN/AlCrN多層涂層薄膜的機械性能和摩擦性能以及2種涂層在切削領域的應用。VN涂層薄膜的表面光滑性更好，機械性能和摩擦性能更加優(yōu)越，臨界劃痕載荷更低，摩擦系數(shù)更低。VN/AlCrN多層涂層薄膜的性能取決于VN和AlCrN薄膜的結合效果。與VN涂層相比，VN/AlCrN多層涂層薄膜的硬度低，臨界劃痕載荷高，摩擦系數(shù)高。

科研人員制備了3種水性冷卻劑：帶有SiO2納米顆粒的冷卻劑,帶有氧化石墨烯(GO)納米薄片的冷卻劑以及二者混合的冷卻劑。通過對GaAs基體的磨削和玻璃基體的拋光來研究冷卻劑的效果。結果證明，第二種冷卻劑和第三種冷卻劑降低了界面摩擦力以及摩擦系數(shù)。帶有氧化石墨烯(GO)納米薄片的冷卻劑在磨削過程中降低了切向磨削應力，可以起到提高表面質(zhì)量的效果。與傳統(tǒng)的拋光相比，第三種冷卻劑降低了35%的表面粗糙度，但是材料去除率提高了36%。

科研人員分別用十二烷基磺酸鈉和甘油作為添加劑制備了帶有二氧化鈦納米顆粒的水性潤滑劑。結果表明，與普通的水性潤滑劑相比，將甘油與二氧化鈦結合可以使摩擦系數(shù)降低31.2%，使球磨損降低55.8%。然而，將十二烷基磺酸鈉與二氧化鈦結合起來可以進一步使摩擦系數(shù)降低70.5%，使球磨損降低84.3%。

連續(xù)拋光是獲得高效高質(zhì)量拋光效果的重要手段之一。科研人員建立一種數(shù)學模型，模擬了連續(xù)拋光的工作流程。通過對工具參數(shù)的調(diào)整，研究者發(fā)現(xiàn)速度越慢，測量結果的方差越小，證明了加工精度越高。經(jīng)過實驗證明，當工具的加工速度為35 mm/min，傾斜角為30°時，加工效果最好。

單晶4H-SiC具有優(yōu)良的電學性能和熱力學性能，被廣泛應用于電子器件制造。然而其高硬度高脆性以及化學惰性使得其難以被高效加工得到超光滑表面。由于超聲電化學機械拋光在應用于SiC時的高效加工以及低成本特性，科研人員利于這種拋光技術來加工金剛石折疊處理過的4H-SiC (0001)表面。經(jīng)過處理后，表面粗糙度從1.971 nm降至0.836 nm，材料去除率達到3.0 μm/h，材料表面的劃痕被完全去除。

2.4 表面完整性與表面技術

許多功能性材料，例如Si，SiC，α-Al2O3和GaN有很高的幾何精度要求。自旋轉(zhuǎn)磨削(RIG)可用于加工這種材料的晶圓。與傳統(tǒng)加工不同的是，RIG由2個分別裝有砂輪和晶圓的主軸組成。然而，由于傳統(tǒng)的有線監(jiān)控傳感器并不適用于RIG，因此RIG的材料去除機理并不明確。研究人員在此前的報道中介紹了一種無線測力計。在這次的報告中，研究人員在無線測力計中安裝一個溫度計，可以同時測量接觸區(qū)域的磨削溫度與磨削力。測量范圍分別為0～1 370 ℃和-80～80 N；測量精度分別為1 ℃和0.01 N。此外該裝置還可以測量沿晶圓半徑方向上的磨削溫度與磨削力的變化。

微能束可用于制備高質(zhì)量的鏡頭。研究者設計了一種基于介質(zhì)阻擋放電的微等離子體模塊用于光學鏡頭表面的拋光。經(jīng)過試驗證明，材料去除率最高可達450 nm/min。經(jīng)過拋光處理后，材料的表面粗糙度并沒有受到太大的影響。

6H-SiC具有優(yōu)異的機械性能、化學性能、電學性能和熱力學性能，可廣泛應用于高溫/高壓環(huán)境。但是其本身的脆性以及高硬度阻礙了實際的應用。有研究證明，當切削深度足夠小時，6H-SiC變得易于加工，但是脆性-柔性轉(zhuǎn)換機理尚不清楚?？蒲腥藛T對6H-SiC單晶的變形機理進行研究。結果表明，在硬度計壓頭的下方，單晶會立即無定形化，周圍區(qū)域的平形剪切滑移會被立即激活。沿著滑移的方向，在塑性變形區(qū)及下方區(qū)域會產(chǎn)生大量裂縫。

科研人員研究了Ti-6Al-4V在不同載荷條件下的微結構、機械性能、摩擦系數(shù)以及磨損行為。試驗證明：α-Ti相均勻分布于β-Ti基體表面。在室溫條件下，Ti-6Al-4V合金的彈性模量達到107.3 GPa，微硬度達到324 HV；當溫度升高到600 ℃時，合金的彈性模量下降30%。同時，在磨損痕跡的邊緣，出現(xiàn)一定量的凹槽，造成黏著磨損。在低載荷條件下，磨損痕跡的下方出現(xiàn)微破裂。隨著載荷量的增大，在磨損表面出現(xiàn)整體的塑性變形以及大量的微破裂現(xiàn)象。在摩擦熱的作用下，基體也開始變軟，提高了磨損率。

有報道研究了不同磨削參數(shù)對馬氏鋼3J33表面質(zhì)量的影響。研究人員分析了不同磨削參對磨削燒傷的影響，以及不同程度的磨削燒傷對馬氏鋼表面質(zhì)量的影響。結果證明：造成磨削燒傷加深的主要影響因素包括工件移動速度降低，磨削深度的增加，氧氣含量的變化以及磨削區(qū)域的表面粗糙度。